Стивен Вайнберг - Первые три минуты
ДОПОЛНЕНИЕ 3. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ И ВЕЩЕСТВА
Автор правильно отмечает, что при температуре выше 3000 К атомы диссоциированы и имеет место рассеяние фотонов свободными электронами. Однако не совсем точно высказывание относительно того, что это рассеяние поддерживает тепловое равновесие между веществом и излучением.
Дело в том, что в процессе рассеяния на движущихся электронах фотоны меняют направление и энергию. Однако число фотонов при этом, как правило, не меняется. Таким образом, рассеяние перераспределяет фотоны по спектру в соответствии с температурой электронов, но оставляет постоянным общее число фотонов в единице объема.
Для установления полного термодинамического равновесия обязательно должны происходить процессы поглощения и испускания фотонов. Благодаря этим процессам и устанавливается при каждой температуре определенное число фотонов каждой энергии и определенное общее число фотонов в единице объема.
Но свободный электрон не может поглотить или испустить фотон. Этот процесс происходит лишь в тот момент, когда электрон пролетает мимо ядра. Если при этом испускается фотон, то электрон теряет часть энергии и тормозится, летит дальше с меньшей энергией. Поэтому говорят о «тормозном» излучении.
Плотность плазмы (т. е. вещества во Вселенной до рекомбинации) очень мала, поэтому установление полного термодинамического равновесия происходит только тогда, когда температура плазмы выше 30 000 000 К и, соответственно, плотность плазмы выше, чем при рекомбинации (при 3000 К), в 1012 раз. В последнее время итальянец Децотти и советский астрофизик Р.А. Сюняев отметили, что при рассеянии, хотя и редко, число фотонов может изменяться: иногда один фотон, падая на электрон, вызывает появление двух фотонов после рассеяния (так называемый двойной комптон-эффект). Иногда происходит и обратный процесс. В связи с этим примерно в 10 раз снижается температура, при которой имеет место установление термодинамического равновесия. После этого спектр излучения остается равновесным, планковским, с температурой, понижающейся в ходе общего расширения.
Однако это справедливо лишь в случае идеального равномерного расширения, без каких-либо возмущений. Если при температуре ниже 30 000 000 К в плазме выделяется энергия, то теория предсказывает своеобразный спектр, отличающийся от планковского. Теория этого явления разработана Р.А. Сюняевым и автором дополнения. Некоторое искажение спектра, особенно в его коротковолновой части, возможно и за счет дополнительного излучения межзвездного газа и пыли на поздней стадии в очень далеких галактиках. При большом их числе и малом угловом расстоянии между ними такое излучение трудно отличить от первичного реликтового излучения. В настоящее время активно ведется изучение спектра, но еще нельзя сказать с определенностью, есть ли отклонения от формулы Планка (в пределах, не превышающих 20 %).
ДОПОЛНЕНИЕ 4. МАЛЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ РАВНОМЕРНОСТИ
МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Существование в настоящее время определенной структуры и неравномерного распределения вещества в пространстве (существование скоплений галактик) свидетельствует о возмущениях строгой модели, построенной А.А.Фридманом. Эти возмущения должны сопровождаться и возмущениями равномерности излучения. Возмущения эти могут быть сравнительно малыми, так же, как и начальная неоднородность плотности вещества в момент, когда вещество и излучение разделились. В дальнейшем неоднородность плотности вещества возрастала вследствие гравитационной неустойчивости, а неоднородность излучения уменьшалась при рассеянии излучения и за счет усреднения температуры по лучу зрения.
Поэтому качественно можно понять тот факт, что в настоящее время возмущения плотности вещества весьма велики, а возмущения излучения малы. До настоящего времени возмущения излучения еще не наблюдены — различие температуры в направлениях, отстоящих друг от друга на несколько угловых минут, меньше погрешности аппаратуры, т. е. меньше, чем несколько сотых долей процента.
Теория нуклеосинтеза предсказывает определенную связь между содержанием дейтерия и плотностью вещества. Измеренное содержание дейтерия указывает на малую плотность вещества, меньше 5 процентов критической плотности. При этой малой плотности рост возмущений идет медленно. В настоящее время следствия, вытекающие из наблюденного содержания дейтерия, считают убедительными, в отличие от того, что пишет Вайнберг.
Необходимы дальнейшие более точные опыты и развитие теории для того, чтобы количественно разобраться в теории образования структуры галактик.
В последнее время многие астрофизики, в том числе и редактор этой книги, отмечают, что без учета массы покоя нейтрино (см. подробнее ниже, в дополнении 7) трудно согласовать значительную неоднородность в распределении плотности вещества и малую плотность вещества с малостью возмущений микроволнового излучения.
ДОПОЛНЕНИЕ 5. АНИЗОТРОПИЯ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Тщательные измерения, проведенные с помощью аппаратуры, установленной на высотном самолете (для уменьшения излучения атмосферы, попадающего в прибор), позволили обнаружить определенную малую анизотропию микроволнового фона излучения. Антенна, направленная на созвездие Льва, дает температуру излучения на 0,13 процента выше средней. В противоположном направлении температура на 0,13 процента ниже средней. Температура плавно меняется между этими двумя значениями.
Такую зависимость микроволнового фона от направления можно объяснить, принимая, что температура строго одинакова во всех направлениях. Однако такая «одинаковость», или, выражаясь научно, «изотропия», имеет место лишь для некоторого воображаемого наблюдателя. Солнечная система, Земля и аппаратура, находящаяся на самолете, движутся относительно этого наблюдателя со скоростью 390 ± 60 км/с в направлении созвездия Льва. Вследствие этого движения, т. е. за счет эффекта Доплера, излучение, идущее навстречу, кажется нам более горячим — на 0,13 %, или на 0,004 градуса, а излучение, догоняющее нас, представляется нам более холодным на те же 0,004 градуса. Точность измерения такова, что выделить вклад от движения Земли вокруг Солнца (30 км/с) и тем более от движения самолета относительно Земли (0,5 км/с) в настоящее время не удается. Однако уже при увеличении точности в 10 раз движение Земли, меняющееся на протяжении года, можно будет заметить. Зная, как движется Солнечная система в Галактике, можно определить скорость, с которой движется относительно воображаемого наблюдателя (см. выше) центральная область нашей Галактики: эта скорость оказалась приблизительно равной 600 км/с.
На этом примере выясняется, что в каждой точке Вселенной существует наблюдатель, относительно которого микроволновое излучение изотропно. Этого наблюдателя и связаную с ним систему координат можно назвать выделенными. Движение другого наблюдателя, находящегося в той же точке, относительно выделенной системы координат приводит к тому, что этот «другой» наблюдатель обнаружит анизотропию микроволнового излучения. Именно это фактически и произошло с земным наблюдателем (анизотропия равна ±0,13 %).
Наличие в каждой точке выделенной системы координат напоминает взгляды физиков до создания теории относительности, когда предполагалось, что свет — это колебания особого вещества — эфира, заполняющего всю Вселенную. Предполагалось далее, что система координат, связанная с эфиром, является преимущественной, выделенной, и ставились опыты по обнаружению движения Земли относительно эфира. Мы знаем, что эти опыты (Майкельсона и других) дали отрицательный результат — светоносный эфир не существует. Однако эволюция Вселенной приводит к тому, что в наблюдениях космического микроволнового излучения (но только в этих астрономических наблюдениях!) выделенная система появляется, и ее иногда называют «новый эфир». Описанные выше наблюдения позволили определить скорость Земли и Солнечной системы, а также Галактики относительно нового эфира — соответственно 390 и 600 км/с.
Однако в расширяющейся Вселенной новый эфир в одном месте движется относительно нового эфира в другом месте. Именно новый эфир или, другими словами, микроволновое излучение с наибольшей точностью осуществляет движение по закону Хаббла. Движение отдельных небесных тел отличается от хаббловского за счет сил тяготения соседних тел. На излучение силы тяготения действуют гораздо слабее, что и позволяет считать, что излучение и связанная с ним система координат движутся по невозмущенному закону Хаббла.
Я.Б.Зельдович и Р.А. Сюняев поставили вопрос: можно ли определить, как движутся относительно «нового эфира» сверхдальние небесные тела? Если смещение спектральных линий соответствует, например, скорости удаления некоего скопления галактик, равной 100 000 км/с, то какая часть этой скорости есть хаббловская скорость, а какая часть — добавочная случайная скорость, связанная с отклонением движения данного скопления галактик от хаббловского закона? Более того, был поставлен вопрос о том, с какой точностью выполняется закон Хаббла в его векторной форме: действительно ли скорость далекого скопления галактик относительно нас (Земли, Солнечной системы, нашей Галактики) направлена по вектору, соединяющему нас с этим далеким скоплением? Нет ли у далекого скопления поперечной (тангенциальной, касательной) скорости, хотя бы и меньшей, чем его хаббловская скорость удаления?
